使用同時(shí)采樣ADC進(jìn)行高性能多通道輸電線(xiàn)監測

引言

　　電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)全世界加強現有電力網(wǎng)的傳輸和配電并且建設新的變電站。微處理器技術(shù)的進(jìn)步和技術(shù)支持人員成本的增加是電力公司使用高精度集成自動(dòng)化系統設計新的自動(dòng)高壓變電站的主要推動(dòng)力。

　　按照電壓高低，變電站可以分為兩類(lèi)：高壓變電站包括500 kV，330kV和一些220 kV變電站；而220 kV終端變電站、110 kV和35 kV變電站則歸為中、低壓變電站。高壓(傳輸)變電站是大型戶(hù)外站。低壓(配電)變電站則為城區室內系統，用來(lái)控制城區高負載密度。日益增強的信號處理技術(shù)使得下一代系統的準確度可優(yōu)于0.1%，而目前系統的準確度典型值為0.5 % —— 準確度的提升主要由于采用高性能同時(shí)采樣ADC；它們提供了滿(mǎn)足未來(lái)系統要求的分辨率和性能。

　　系統體系結構

　　圖1示出了一個(gè)典型三相測量系統中的波形。每一相功率由一個(gè)電流 互感器（CT）和一個(gè)電壓互感器（PT）來(lái)表示。完整的系統由三相組 成。系統任意時(shí)刻平均功率，可以通過(guò)對每一互感器器輸出做快速 大量采樣，對采樣數據做離散傅立葉變換（DFT）并且完成必要的乘 法和求和運算。

　　ADC對三個(gè)CT和三個(gè)PT輸出做32組同時(shí)采樣，并將結果保存在 RAM中。然后系統對6路輸出做DFT運算，并且用實(shí)部和虛部形式 (A+jB) 表示結果。每一個(gè)互感器的幅度和相位信息可按下式計算：

　　上述方法使用DFT和計算公式可確定單一頻率的系統功率。如果使用 快速傅立葉變換（FFT）代替DFT，可以提供高次諧波和其它高頻分量； 這可以計算系統的其它信息，例如系統損耗或無(wú)用噪聲的作用。

　　系統要求

　　變電站可能包含幾百個(gè)互感器。將待測的電壓和電流值調節到±5 V 或±10 V互感器的滿(mǎn)度輸出范圍表示比輸電線(xiàn)的滿(mǎn)度輸出功率能力 大得多。一般，待測的輸電線(xiàn)值（特別是電流）小于互感器滿(mǎn)度范圍 的5%，互感器輸出典型值在±20 mV范圍內，超出這個(gè)范圍的信號很 少出現；當出現大信號時(shí)一般認為系統故障。

　　準確測量這些小信號需要具有高信噪比（S/N）的高分辨率ADC。采 用的多通道ADC還必須具備同時(shí)采樣能力。例如，目前可提供的系統 具有14 bit分辨率能力——AD78651 4通道、14 bit ADC可以接受真正 的雙極性輸入信號，并且提供80 dB SNR。然而，現在對于10 kSPS采 樣速率16 bit分辨率的高性能多通道ADC的需求越來(lái)越強烈。為了完 成三相電流和電壓的準確測量，ADC應該具有同時(shí)采樣6個(gè)通道的 能力，并且必須具有優(yōu)良的SNR測量小信號。當一個(gè)系統中使用很多 ADC時(shí)，功耗問(wèn)題也很重要。

　　滿(mǎn)足以上全部要求的一個(gè)例子是AD7656，2它包含6個(gè)低功耗、16 bit、250 kSPS逐次逼近（SAR）型ADC。如圖2所示，AD7656采用 iCMOS?工業(yè)CMOS工藝3，它將制造高壓器件的工藝與亞微CMOS工 藝和互補雙極型工藝相結合。iCMOS工藝能夠制造出高電壓工作能 力的高性能模擬IC。與采用傳統的CMOS工藝制造的模擬IC不同， iCMOS器件能夠接受雙極性輸入信號，從而提高了性能，并且大幅度 縮減了功耗和封裝尺寸。

　　圖2. AD7656包含6個(gè)同時(shí)采樣ADC、一個(gè)參考電壓源、 三個(gè)參考緩沖器和一個(gè)振蕩器。

　　如圖3所示， AD7656具有86.6 dB的高 SNR可以提供滿(mǎn)足測量互感器 輸出的交流小信號所需的性能指標。其250 kSPS更新速率有助于簡(jiǎn)化 快速數據采集所要求的系統設計以實(shí)現實(shí)時(shí)FFT后處理。AD7656可 以直接接受來(lái)自互感器的±5 V和±10 V輸出，無(wú)需增益或電平變 換——而且每個(gè)器件的最大功耗僅為150 mW。當一塊電路板上有許 多通道ADC時(shí)，功耗是一項重要考慮。因為有一些系統需要一塊電路 板上有多達128個(gè)ADC通道（即22片6通道ADC），所以功耗成為一項 關(guān)鍵指標。

　　圖3. 在輸電線(xiàn)監測應用中峰峰噪聲是一項關(guān)鍵指標。